Modulasi Sifat Anisotropi Elektronik dan Optik ML-GaS oleh Medan Listrik Vertikal

Hasil dan Diskusi

Konfigurasi geometrik sepenuhnya santai dari GaS ML ditunjukkan pada Gambar. 1a, b. Ketebalan lapisan tunggal dihitung menjadi 4,66 , sedangkan proyeksi planar menunjukkan struktur sarang lebah heksagonal yang ideal, mirip dengan graphene. Konstanta kisi a adalah 3,64 , yang sedikit lebih besar dari material curah karena kurangnya interaksi antarlapisan [25]. Panjang ikatan S–Ga dan Ga–Ga masing-masing adalah 2,37 dan 2,48 , dan sudut S–Ga–S antara atom S tetangga terdekat adalah sekitar 100,34°, yang cukup sesuai dengan penelitian sebelumnya [12]. Untuk kenyamanan, atom antar lapisan atas dan bawah diberi label sebagai Y ⁽¹⁾ (Y = Ga, S) dan Y ⁽²⁾ (Y = Ga, S), masing-masing.

a Atas dan b tampak samping konfigurasi atom GaS ML. hijau besar dan bola kuning kecil masing-masing mewakili atom Ga dan S, dan atom antar lapisan atas dan bawah diberi label sebagai Y ⁽¹⁾ (Y = Ga, S) dan Y ⁽²⁾ , masing-masing

Dengan tujuan memodulasi sifat optik GaS ML, spektrum serapan optik dengan medan listrik eksternal yang berbeda dihitung. Arah medan listrik yang diterapkan adalah sepanjang arah +z. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, perilaku penyerapan cahaya luar biasa (cahaya TM; E //c ) dan lampu biasa (lampu TE; E c ) sangat berbeda, mengungkapkan anisotropi optik dalam GaS ML. Tepi serapan lampu TM dan TE masing-masing diberi label oleh garis putus-putus merah dan hijau. Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, perbedaan energi tepi serapan antara cahaya TM dan cahaya TE kira-kira 0,55 eV (lihat Gambar 2a). Saat medan listrik eksternal diterapkan, kedua tepi serapan bergeser ke energi yang lebih rendah, dan perbedaan energi tepi serapan berkurang. Pembalikan transisi dipol dari E //c ke E c anisotropi terjadi pada medan listrik eksternal kritis sekitar 5 V/nm. Perhatikan bahwa tepi serapan cahaya TE bahkan lebih rendah dari pada cahaya TM karena medan listrik semakin meningkat hingga 8 V/nm. Hasil ini menunjukkan bahwa anisotropi optik pada GaS ML dapat dimodulasi oleh medan listrik eksternal vertikal.

Spektrum serapan optik terhitung dari GaS ML a tanpa medan listrik eksternal dan b –d dengan medan listrik eksternal masing-masing 4, 5, dan 8 V/nm. Tepi penyerapan diberi label. Merah dan garis hijau mewakili cahaya TM dan TE, masing-masing

Untuk mendapatkan wawasan tentang efek medan listrik eksternal pada anisotropi optik di GaS ML, struktur pita tanpa dan dengan perbedaan medan listrik eksternal disimulasikan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3a, pita konduksi minimum (CBM) dari GaS ML terletak pada titik , sedangkan pita valensi maksimum (VBM) terletak pada posisi antara dan K poin, menunjukkan celah pita tidak langsung. DFT dan metode hybrid menghitung celah pita masing-masing adalah 2,35 dan 3,46 eV, yang sesuai dengan hasil sebelumnya [12, 26]. Menariknya, dengan adanya medan listrik eksternal E, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b-d, VBM beralih ke titik ketika E berada di luar nilai kritis (sekitar 5 V/nm), sedangkan CBM masih terletak di titik. Ini menunjukkan transisi celah pita tidak langsung ke langsung dalam GaS ML di bawah medan listrik eksternal. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e, celah energi berkurang secara monoton dengan meningkatnya medan listrik eksternal. Modifikasi celah pita muncul dari efek Stark yang terkenal, yang telah diamati dalam penelitian sebelumnya tentang h -BN [27] dan MoS₂ [28]. Ketika medan listrik eksternal diterapkan, ada perbedaan potensial antara dua lapisan (lihat Gambar 1b), yang dapat digambarkan sebagai U = −dE ^* e , di mana d adalah jarak antar lapisan, dan E ^* adalah medan listrik yang disaring. Medan listrik eksternal meningkatkan potensi interlayer bawah dan mengurangi interlayer atas, menghasilkan pengangkatan VBM dan penurunan lebih lanjut dari celah pita energi. Medan listrik eksternal yang lebih kuat menyebabkan perbedaan yang lebih besar antara dua interlayer, dan dengan demikian pemisahan pita yang lebih besar dan celah pita yang lebih kecil.

Struktur pita GaS ML a tanpa medan listrik eksternal dan b –d dengan medan listrik eksternal masing-masing 4, 5, dan 8 V/nm. Garis putus-putus menunjukkan tingkat Fermi, yang diatur ke nol. e Variasi celah energi dengan medan listrik eksternal untuk GaS ML

Untuk mengungkap mekanisme evolusi anisotropi optik GaS ML, struktur pita terdekomposisi yang diproyeksikan dengan dan tanpa medan listrik dihitung lebih lanjut, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Untuk ML GaS asli tanpa medan listrik, CBM dan VBM adalah terutama disumbangkan oleh s . hibridisasi dan p _z keadaan atom Ga dan p _z keadaan atom S, masing-masing, sedangkan empat pita valensi berikut di bawah VBM terutama terdiri dari p dalam bidang _x + p _y statistik atom S. Ketika medan listrik eksternal sebesar 8 V/nm diterapkan, lapisan Ga-S atas dan bawah menunjukkan kontribusi asimetris pada struktur pita. CBM sebagian besar ditempati oleh s dan p _z komponen orbital bagian atas Ga ⁽¹⁾ S ⁽¹⁾ lapisan tetapi hanya p _z negara bagian bawah Ga ⁽²⁾ S ⁽²⁾ lapisan. Dibandingkan dengan keadaan kopling antarlapisan di pita konduksi, keadaan dalam bidang di pita valensi bahkan lebih sensitif terhadap medan listrik eksternal vertikal. Ditemukan bahwa p _x + p _y negara bagian atas Ga ⁽¹⁾ S ⁽¹⁾ dan turunkan Ga ⁽²⁾ S ⁽²⁾ lapisan memiliki energi yang lebih rendah dan lebih tinggi yang terpisah, masing-masing, dan perbedaan energi pada titik adalah sekitar 3,05 eV. Hal ini menunjukkan bahwa medan listrik eksternal menginduksi struktur elektronik asimetris di interlayers GaS. p . yang terangkat _x + p _y negara bagian bawah Ga ⁽¹⁾ S ⁽¹⁾ lapisan melampaui p _z keadaan atom S dan menjadi pita valensi paling atas, yang mengarah ke penggantian VBM, dari titik awal antara dan K ke titik . Perubahan VBM ini menghasilkan evolusi transisi dipol dari E //c ke E c preferensi, yang menjelaskan prediksi di atas bahwa penyerapan E c secara bertahap meningkat dengan medan listrik eksternal vertikal dan melebihi E //c pada medan listrik eksternal kritis sekitar 5 V/nm.

Struktur pita proyeksi terdekomposisi dari GaS ML. Panel atas mewakili s (a ), p_x + p_y (b ), dan p_z (c ) mengorbit tanpa medan listrik eksternal; panel tengah dan terakhir menyajikan kontribusi s (d , g ), p _x + p _y (e , h ), dan p _z (f , i ) mengorbit dari interlayer atas dan bawah GaS dengan medan listrik eksternal masing-masing sebesar 8 V/nm

Distribusi spasial dari muatan parsial pada CBM dan VBM dari GaS ML dihitung lebih lanjut tanpa dan dengan medan listrik eksternal sebesar 8 V/nm, masing-masing seperti ditunjukkan pada Gambar 5a, b. CBM dari kedua kasus memiliki s -jenis karakter keadaan yang terlokalisasi erat di sekitar atom S dalam bentuk bola. Sementara pada medan listrik yang lebih rendah (0~5 V/nm), VBM hanya dari p _z negara mendistribusikan sebagai bentuk dumbbell sejajar dengan arah z. Saat medan listrik eksternal ditingkatkan ke nilai kritis dan lebih besar, VBM diturunkan dari campuran p _x dan p _y komponen, menunjukkan bentuk dumbbell lain yang tegak lurus terhadap arah z. Berdasarkan urutan VB, aturan pemilihan paritas ikut bermain. Transisi antar band di bawah xy polarisasi hanya diperbolehkan untuk negara bagian dengan paritas yang sama, sedangkan yang di bawah polarisasi z khusus untuk negara bagian dengan paritas yang berlawanan. Oleh karena itu, dengan medan listrik eksternal dari 0 hingga 5 V/nm, transisi terendah CBM-VBM dalam GaS hanya tersedia untuk cahaya terpolarisasi TM (E //c ), sedangkan karena medan listrik eksternal lebih besar dari 5 V/nm, transisi terendah CBM-VBM akan tersedia untuk cahaya terpolarisasi TE (E c ) hanya. Fenomena ini menyatakan modulasi anisotropi elektronik dan optik di bawah medan listrik vertikal. Asal usul anisotropi optik yang berlawanan dapat ditelusuri kembali ke medan kristal tambahan yang diinduksi oleh medan listrik, sebagaimana dibuktikan oleh perbedaan kerapatan muatan yang diplot pada Gambar. 5c, d. Tanpa medan listrik eksternal, elektron diamati menumpuk di daerah pengikatan Ga-S dan Ga-Ga, masing-masing membentuk ikatan ionik dan ikatan kovalen. Saat menerapkan medan listrik eksternal, semakin banyak elektron cenderung menumpuk di sekitar atom S, sementara semakin sedikit elektron yang terdistribusi antara atom Ga atas dan bawah. Ini berarti bahwa medan listrik eksternal mengurangi interaksi antara interlayer atas dan bawah dalam GaS dan meningkatkan interaksi antara atom S dan Ga dalam setiap interlayer; akibatnya, saluran transpor elektron dibuat di atas medan listrik 5 V/nm, seperti 8 V/nm pada Gambar 5d. Analisis di atas menunjukkan bahwa anisotropi optik terbalik yang mencolok dalam GaS ML terkait erat dengan medan kristal asimetris tambahan yang berasal dari medan listrik eksternal yang diterapkan.

Kepadatan parsial status CBM dan VBM GaS ML tanpa (a ) dan dengan (b ) medan listrik luar masing-masing sebesar 8 V/nm. Perbedaan kerapatan muatan spasial dan penampang vertikal sepanjang (1-100) bidang GaS ML tanpa (c ) dan dengan (d ) medan listrik luar masing-masing sebesar 8 V/nm. Kepadatan positif dan negatif (kontur), masing-masing, ditunjukkan dengan kuning (garis tegas ) dan biru (garis putus-putus ) warna, dan interval konturnya adalah 0,005 eÅ ⁻³